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1、论述汽车发动机与热力学的关系摘要：本文就汽车发动机原理、分类，以及如何提高发动机效率做了阐述。动机即热机，大多人叫引擎。是一种把化学能转化为机械能的机器。其实， 发动机是一整套动力输出设备，包括变速齿轮、引擎和传动轴等等，可见引擎是 只是整个发动机的一个部分，但是却是整个发动机的核心部分，因此把引擎称为 发动机也不为过。现在指的发动机即内燃机，常见的有汽油机和柴油机。汽车的 主流发动机就是汽油机，也有少部分是柴油机。发动机的原理就是基于热力学的。 首先，它遵循热力学第一定律： E=Q+A.即燃料被引燃后，内能增加， E0， 气体前后温度变化不大放热Q0。从而使得发动机向外输出机械能。 继而他同
2、样遵循热力学第二定律：即供热转换的方向性，并且，燃料燃烧产生的 内能并没有完全转化为机械能。然后，从发动机的工作过程看，发动机工作的一 个周期（四个冲程）即为热力学中的一个循环过程。“ P 土 CbdaAV2V如图所示，由a到d四个过程分别表示发动机工作的四个冲程：（1）：绝热 压缩a-b，空气和汽油的混合气从a（低压）到b（高压）状态。（2）：等体吸热b-c,压缩 到体积V2时气缸内气体被火花塞点燃，混合气体由b状态急速升温到c状态， 并且压强也急剧升高。（3）：绝热膨胀c-d，混合气体绝热膨胀，推动活塞对外做 功，温度降低（部分热传递给汽缸），压强减小。（4）：等体放热d-a,即将废气从
3、缸中排走，把热量带走。下一循环中，发动机又会吸入气体重复以上过程。通常 用8个字概括便是：吸气、压缩、做功（燃烧）、排气。综合这些过程，运用热 力学知识，在理想情况下（气体为理想气体、存在真正的绝热过程、机械之间无 摩擦等）：b-c过程，气体吸热Q1=K v, m-T?）,d-a过程气体放热Q2=K v, m（T4-Ti）所以 =1 - 又，a-b, c-d均为绝热过程，有3得n=i- 1（V1/V2） Y-1定义压缩比（V1/V2）则 n =1 -(V1)Y-1V2T3 =(V1)y- 1T4 V2rY-1=r由上式可以知道，奥托循环的热效率取决于压缩比r。实际上，汽油内燃机 的压缩比不超过
4、7,不然的话，压缩比太高将导致油气混合物在绝热压缩过程中 体积还未到b状态就会因温度升高过大而自行燃烧。所以，按压缩比为7,空气 户1.4来算的话，可得到发动机（汽油机）的理论热效率为55%。但是由于实际 情况达不到理想状态，所以现实生活中，汽油机的热效率不到30%。然而，热机的最大理论效率是卡诺循环效率，即热机按照卡诺循环进行工作， 其理论效率为62.7%但是，其条件在现实生活中也是比较可靠的，因为它由两 个等温过程和两个绝热过程组成，况且，卡诺循环中要将冷凝温度减低到环境温 度以下，这也是不经济的。将其做成汽油机或柴油机也存在很多问题比如工质的 不同。但是有一类发动机也应用了卡诺循环一一即
5、斯特林发动机。斯特林发动 机是独特的热热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为 卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力 的。而且斯特林发动机是外燃机。优点为由于外燃机避免了传统内燃机的 震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃 机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等， 也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳 能等。只要热腔达到700C，设备即可做功运行，环境温度越低，外燃机最 大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。 然而其缺点：制造成本较高，工质密封技术较难
6、，密封件的可靠性和寿命 还存在问题，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重。我想这也是实际 生活中难以利用卡诺循环来制造汽车发动机的原因。但是，如何就目前状况进一步提高汽车发动机的效率，依然是一个很有 讨论价值的。目前的主流汽油发动机的进气、压缩、做功、排气四个过程的行 程应该是相等的，这是造成发动机热效率低的原因之一，就是能量得不到充分利 用。因为，在发动机做功过程中，会产生大量的热量，同时汽油燃烧也会产生新 的气体，所以此过程的能量应该是非常大的。但现在的发动机做功距离只于压缩 距离相等，造成的能量的浪费：一是做功完成之后缸内气体压力过大，仍有部分 能量没有利用；二是缸内压力过大使排气过程使用过多的能量；三是缸内温度过 高，利于热量向外散发要。改善这一问题便要缩短进气、压缩的行程，延长做功 距离。可以延迟吸气的开始时间以减少吸气行程，相比之下便增大了做功行程。还有就是改进材料，减轻发动机质量；增加进气压力（可考虑使用可产生涡 流的活塞），减小进气温度；减小摩擦等参考文献：（1）苟秉聪胡海云 大学物理，国防工业出版社（2）赵凯华新概念物理教程，高等教育出版社（3）严济慈热力学第一和第二定律，人民教育出版社
论述汽车发动机与热力学的关系
